DETERMINATION METHODOLOGY OF THE AMOUNT OF STEAM PRODUCED IN THE EXHAUST GAS BOILER FOR THE CONTEMPORARY CONTAINER VESSELS IN A PRELIMINARY STAGE

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 16, No DETERMINATION METHODOLOGY OF THE AMOUNT OF STEAM PRODUCED IN THE EXHAUST GAS BOILER FOR THE CONTEMPORARY CONTAINER VESSELS IN A PRELIMINARY STAGE A. Charchalis, J. Krefft Gdynia Maritime University Faculty of Marine Engineering Morska Street 83-87, Gdynia, Poland tel.: , fax: achar@am.gdynia.pl Abstract The number of the TEU containers significantly increased in the last twenty years not only in a global scale but also transferred by a single container vessel. The typical Panamax was designed to carry TEU in the eighties while nowadays its TEU capacity increased up to TEU. Moreover, the first container carrier with a capacity of TEU in New Panamax class was launched in The main engines with a power up to kw are installed to propel such a huge seagoing vessels, capable to carry thousands of containers. Heavy fuel oil with a lowest combustion quantities up to 700 cst for 50 C are used in the contemporary container vessels low speed engines. The steam demand to heat up such fuels in transfer, purification and preparation for the combustion process is enormous. Considering relatively high main engines power values there is a chance to recover a big amount of heat wasted in the exhaust gases through correct power and capacity selection of the exhaust gas boiler. The correct choice of the exhaust gas boiler lets fulfill the heat purposes of the container ships and additionally gives a steam to turbine driven alternator. There is a demand to calculate the energy resources of the container vessels because of the trends in increasing speed, TEU capacity and heavy fuel oil grades used in contemporary ships. The suggested methodology to calculate the amount of steam that is possible to produce in the exhaust gas boiler for the contemporary container carriers is one of the analyzed elements. This methodology can be the main asset as a support of taking design decisions in energy and economy aspects of the ship in a preliminary stage when there is not to many known parameters. It is so important as the effects of the design decisions in a preliminary stage have significant matter for the building and operation costs of the future container vessels. Keywords: contemporary ships, container vessels, steam, waste heat unit, exhaust gas boiler METODYKA OKRELANIA ILOCI MOLIWEJ DO WYPRODUKOWANIA PARY W KOTLE UTYLIZACYJNYM DLA WSPÓCZESNYCH KONTENEROWCÓW WE WSTPNYM ETAPIE PROJEKTOWANIA Streszczenie W ostatnim dwudziestoleciu liczba przewoonych kontenerów TEU znacznie wzrosa nie tylko w skali globalnej, ale równie jednorazowo. W latach osiemdziesitych typowy Panamax móg przewie jednorazowo TEU, podczas gdy obecnie jego zdolno przewozowa osigna poziom TEU. Co wicej, w roku 2006 zosta oddany do eksploatacji pierwszy statek kontenerowy z serii Suezmax o najwikszej pojemnoci adunkowej TEU. Do napdu tak duych jednostek morskich, zdolnych przewie jednorazowo tysice kontenerów, instalowane s silniki o mocach dochodzcych do kw. Silniki te s zaprojektowane do spalania najgorszych jakociowo paliw pozostaociowych, o lepkoci kinematycznej 700cSt (50 C). Zapotrzebowanie energii cieplnej do podgrzania tych paliw w procesie transportu, oczyszczania i przygotowania do spalania wymaga ogromnych iloci pary. Z uwagi na stosunkowo due wartoci mocy silników napdu gównego wspóczesnych statków kontenerowych istnieje moliwo odzyskania duych iloci energii z entalpii spalin, poprzez odpowiedni dobór mocy i wydajnoci kotów utylizacyjnych. Waciwy dobór kota utylizacyjnego pozwoli na zrealizowanie celów grzewczych statku kontenerowego i pokryje

2 A. Charchalis, J. Krefft zapotrzebowanie na energi elektryczn statku kontenerowego w czasie podróy morskiej. Z uwagi na rosnc prdko i pojemno adunkow wspóczesnych statków kontenerowych oraz stosowane paliwa pozostaociowe istnieje potrzeba analizy zasobów energetycznych kontenerowców. Jednym z elementów tej analizy jest proponowana metodyka oceny iloci moliwej do wyprodukowania pary w kotle utylizacyjnym dla wspóczesnych statków kontenerowych. Metodyka ta moe stanowi ródo wsparcia w podejmowaniu decyzji projektowych w zakresie energetyki i ekonomiki statku we wstpnym etapie projektowania, kiedy dysponuje si niewielk liczb informacji. Jest to o tyle wane, e skutki decyzji podjtych w etapie wstpnym maj istotne znaczenie dla kosztów budowy i eksploatacji przyszej jednostki. Sowa kluczowe: Wspóczesne statki, kontenerowce, para, jednostka odzysku ciepa, kocio utylizacyjny 1. Wstp Dynamiczny rozwój transportu towarów w formie modularnej spowodowa, e stawki frachtowe dla statków kontenerowych osigny najniszy od lat poziom. Dla opacalnoci transportu kontenerowcami zarówno silniki napdu gównego jak i spalinowe zespoy prdotwórcze coraz czciej zasilane s paliwami pozostaociowymi o coraz gorszych jakociowo waciwociach. Projektowanie instalacji parowej i dobór kota utylizacyjnego, który zapewni odpowiedni ilo pary na cele grzewcze w podróy morskiej statku kontenerowego naley przeprowadzi dla paliwa o lepkoci kinematycznej 700 cst dla temperatury 50 C. Dla tej lepkoci paliwa pozostaociowego wymagana jest temperatura na dolocie do silnika spalinowego na poziomie 150 C. Z uwagi na rodzaj paliwa stosowanego na kontenerowcach zapotrzebowanie na par do celów grzewczych w zbiornikach zapasowych, osadowych i rozchodowych jest odpowiednio wiksze dla wspóczesnych kontenerowców ni dla starszej generacji statków. Dla dalszej redukcji kosztów w transporcie adunku budowane s kontenerowce o znacznie wikszej nonoci ni jeszcze 5 lat temu. Wedug [6] kontenerowiec o zdolnoci przewozowej TEU generuje o 40% mniejsze koszty ni statek o pojemnoci TEU przy tej samej prdkoci pywania. Jednak do obsugi duych jednostek kontenerowych potrzebne s mae i rednie statki kontenerowe, o wikszych, ni dotychczas, moliwociach przewozowych dochodzcych do 2800 TEU. Prowadzi to do wzrostu zapotrzebowania na moc silników napdu gównego, dochodzc, dla tych najwikszych kontenerowców, do kw. Powoduje to zwikszone zapotrzebowanie na par grzewcz do podgrzania odpowiednio wikszych iloci paliwa pozostaociowego. Istnieje, wic realna potrzeba analizy iloci moliwej do wyprodukowania pary nasyconej w kotach utylizacyjnych dla tego typu statków, w których napd gówny stanowi wolnoobrotowe silniki spalinowe i okreleniu zapotrzebowania pary na cele grzewcze. Pozostaa para moe zosta wykorzystana do wytwarzania energii elektrycznej. 2. Koty utylizacyjne na kontenerowcach Na potrzeby metodyki doboru kotów utylizacyjnych do maksymalnej, moliwej do wytworzenia pary, dokonano analizy rodzaju i typu kotów instalowanych na statkach kontenerowych [3-5, 8-10]. W wikszoci przypadków koty utylizacyjne wystpuj jako samodzielne ukady wytwarzania pary nasyconej. Rzadziej koty te wystpuj w formie tzw. kotów kombinowanych z opalanymi kotami pomocniczymi. Na statkach starszych typów spotyka si rozwizanie typu pomieniówkowego. Na nowo budowanych jednostkach stosuje si wycznie koty wodnorurkowe tzw. opomkowe z wymuszon cyrkulacj. Na Rys. 1 przedstawiono omawiane typy kotów utylizacyjnych dla powierzchni wymiany ciepa w ukadzie pionowym (a) i poziomym (b). Koty utylizacyjne z pomieniówkami s rzadkim rozwizaniem z uwagi na konieczno zastosowania niezalenego zbiornika parowego oraz tendencji do blokowania si rurek, w których przepywaj spaliny. 30

3 Determination Methodology of the Amount of Steam Produced in the Exhaust Gas Boiler for the Contemporary a) b) Rys. 1. Typy kotów utylizacyjnych [11] Fig. 1. Exhaust gas boiler types [11] W celu zwikszenia efektywnoci wymiany ciepa na drodze spaliny - mieszanina parowodna spotyka si róne rozwizania powierzchni ogrzewalnej opomek. Róne rozwizania powierzchni ogrzewalnej opomek przedstawiono na Rys. 2. a) b) c) Rys. 2. Powierzchnia wymiany ciepa kotów utylizacyjnych [1]: a) ebra kwadratowe, b) igy, c) ebra rubowe Fig. 2. Types of Exhaust gas boiler heat exchange surfaces[1]: a) square ribs, b) needles, c) spiral ribs 3. Metodyka wyznaczania wydajnoci kota utylizacyjnego Ilo moliwej do wyprodukowania w kotle utylizacyjnym pary nasyconej zaley od obcienia silnika napdu gównego statku w stosunku do jego mocy nominalnej, rónicy temperatur spalin oraz ich wartoci na dolocie T 1 i wylocie z kota T 2, temperatury wody zasilajcej T wz, parametrów wytwarzanej pary oraz wspóczynnika utrzymania ciepa i. Dobór kota utylizacyjnego do statku o podanej pojemnoci kontenerowej TEU polega na okreleniu cinienia roboczego p r [MPa] oraz wydajnoci parowej kota D [kg pary /h]. Cinienie robocze kota zaley od temperatury paliwa pozostaociowego na wlocie do silnika spalinowego. Dla paliwa o lepkoci kinematycznej 700cSt (50 C) naley przyj warto graniczn t PAL =150 C zgodnie z Rys

4 A. Charchalis, J. Krefft 3.1. Energia oddawana w spalinach Rys. 3. Sposób doboru temperatury paliwa [12] Fig. 3. Calculations of the heavy fuel oil temperature [12] Wychodzc z równania na ilo ciepa zawartego w spalinach (1) naley okreli masowe natenie przepywu spalin przez kocio utylizacyjny, rednie ciepo waciwe dla skadu roboczego spalin c SP m SP oraz temperatur spalin T 1 i T 2 na wlocie i wylocie z kota. Q SP m c ( T T ) / 3600 [ kw ], (1) SP SP 1 2 Ilo spalin emitowanych przez silnik napdu gównego naley przeliczy na warunki eksploatacyjne. W zalenoci (2) uwzgldniono poprawk dotyczc optymalizacji silnika m O%, warunków zewntrznych m WZ % (temperatura wody, cinienie i temperatura powietrza i in.) oraz obcienia czciowego silnika. m OC % m SP m SP M L1 P P O L1 m 100 O% m WZ% m OC% POC% 100 [kg/h]. (2) Dla uzyskania temperatury spalin na wlocie do kota utylizacyjnego T 1, istnieje konieczno wyznaczenia temperatury T L1, podanej przez producenta w przewodnikach projektowych silnika napdu gównego, uwzgldniajc warunki eksploatacyjne tj. poprawk temperatury dla punktu optymalizacyjnego silnika t O, warunków zewntrznych twz oraz obcienia czciowego silnika t OC. Jest to szczególnie wane, gdy dwusuwowe silniki spalinowe spalaj paliwa pozostaociowe niskiej jakoci, rozumiane jako paliwa o niskich waciwociach energetycznych. Jeli doda do tego starania producentów silników spalinowych zmierzajce do obnienia wartoci jednostkowego zuycia paliwa to okae si, e temperatura spalin za turbosprark spada w porównaniu do silników produkowanych w latach 80. o ponad 100 C z okoo 370 C do 240 C dla wartoci nominalnych L1 i warunków umiarkowanych (ISO). Do wyznaczenia redniej wartoci ciepa waciwego spalin zastosowano funkcj wielomianow 32

5 Determination Methodology of the Amount of Steam Produced in the Exhaust Gas Boiler for the Contemporary trzeciego stopnia dla skadu roboczego podanego w Tab. 1. Dla wszystkich wyznaczonych funkcji skadników spalin warto wspóczynnika determinacji R 2 bya powyej 0,99. Tab. 1. Skad procentowy spalin [11] Tab. 1. Exhaust gas percentage [11] Skadnik spalin N 2 O 2 H 2 O CO 2 Udzia procentowy 76,2% 14,0% 5,1% 4,5% Pozostae skadniki NO x, SO x, CO i HC stanowi tak ma warto w skadzie procentowym spalin, e zostay pominite bez wpywu na c sp. Od wartoci temperatury T 2 zaley ilo ciepa jaka zostanie oddana przez spaliny. Wysoki stopie utylizacji ciepa odpadowego wymaga obnienia tej temperatury tak mocno jak to moliwe. Dopuszczalna zawarto siarki w paliwie, zestawiona w Tab. 2, stanowi ograniczenie obnienia tej temperatury z uwagi na punkt rosy. Tab. 2. Zawarto siarki w paliwie[7] Tab. 2. Sulfur content in Heavy Fuel Oil [7] Data wejcia w ycie Strefa specjalna Strefa bez ogranicze Obowizujce przepisy 1,5% Marzec ,0% Stycze 2012 Stycze ,1% Stycze 2020 (2025) 4,5% 3,5% 0,5% Podane zawartoci siarki w paliwie od roku 2010 i póniej stanowi propozycje poprawek do Aneksu VI konwencji MARPOL. Dla strefy specjalnej tj. obszaru Morza Batyckiego, Morza ródziemnego i in. dopuszczalna zawarto siarki w paliwie jest znacznie nisza ni dla pozostaych obszarów eglugi statków. W zalenoci od moliwoci dostaw paliw o zawartoci siarki 0,5% poprawka moe wej w ycie w roku 2020 lub Dla tak niskiej zawartoci siarki w paliwie istnieje moliwo wytworzenia wikszych iloci pary ni ma to miejsce obecnie przy zawartoci 4,5% siarki w paliwie pozostaociowym poza obszarem specjalnym. W tej sytuacji naleaoby obniy cinienie robocze kota ze wzgldu na nisz warto temperatury pary. Na Rys. 4 przedstawiono zaleno temperatury punktu rosy kwasu siarkowego w funkcji zawartoci siarki w paliwie. Wynika std, e im mniej siarki w paliwie, tym temperatura spalin za kotem utylizacyjnym T 2 moe by nisza czyli wiksza warto entalpii waciwej [kj/kg] moe by oddana przez spaliny. Zalenie od rónicy temperatur T, rozumianej jako najnisza warto midzy temperatur gazów spalinowych T 2 opuszczajcych powierzchni odparowania wody kotowej, a temperatur pary nasyconej (temperatur nasycenia) T n, powierzchnia wymiany ciepa, midzy spalinami a mieszanin parowodn w kotle utylizacyjnym, przyjmuje róne wartoci. Im nisza rónica temperatur T tym wiksza powierzchnia wymiany ciepa kota utylizacyjnego. Na Rys. 5 przedstawiono, w jaki sposób zmiana T wpywa na wydajno i powierzchni wymiany ciepa kota utylizacyjnego. 33

6 A. Charchalis, J. Krefft Rys. 4. Temperatura punktu rosy kwasu siarkowego [2] Fig. 4. Sulfur acid dew point temperature [2] Rys. 5. Powierzchnia wymiany ciepa kota utylizacyjnego Fig. 5. Heat exchange surface of exhaust gas boiler Wedug [11] obniajc rónic temperatury T z 15 do 5 wydajno kota utylizacyjnego wzronie tylko o 10% (110 na wykresie) przy zwikszeniu powierzchni wymiany ciepa o 132%. Zmiana T o 10 C powoduje nieproporcjonalny wzrost kosztów wytworzenia powierzchni wymiany ciepa. Do dalszych oblicze przyjto T=20 C jako kompromisow warto z uwagi na powierzchni wymiany ciepa oraz stopie utylizacji ciepa ze spalin Wydajno kota utylizacyjnego Wydajno kota D [kg/h] wyznaczono dla maksymalnej iloci pary moliwej do wyprodukowania. Przyjto entalpi wody zasilajcej i wz dla temperatury w skrzyni cieplnej t wz =85 C oraz entalpi pary nasyconej i dla wczeniej przyjtej temperatury nasycenia t n =170 C i cinienia roboczego p r =0,7 MPa tj. 0,8 MPa cinienia absolutnego. Z uwagi na wasnoci gazów naley utrzymywa temperatur wody zasilajcej na poziomie 85 C. Dla tak wysokiej temperatury 34

7 Determination Methodology of the Amount of Steam Produced in the Exhaust Gas Boiler for the Contemporary rozpuszczalno gazów w wodzie jest utrudniona i duo atwiej jest pozby si ich w atmosferycznej skrzyni cieplnej. Parametr i w zalenoci (3) na wydajno kota utylizacyjnego okrela si mianem wspóczynnika utrzymania ciepa. Zalenie od strat ciepa do otoczenia i sprawnoci kota, i przyjmuje wartoci z zakresu 0,97-0,99. Do ostatecznych oblicze przyjto i 0,97, jako najgorsza z moliwych wartoci. Q (3600) D SP i [kg/h]. (3) '' i i wz Na podstawie przyjtych parametrów i zalenoci funkcyjnych zostaa stworzona aplikacja do obliczania w pierwszej kolejnoci ciepa zawartego w spalinach Q SP a nastpnie maksymalnej moliwej do uzyskania wydajnoci D KU [kg/h] oraz mocy Q KU [W] kota utylizacyjnego. Przykad aplikacji zaprezentowano na Rys. 6. Rys. 6. Przykad oblicze dla kota utylizacyjnego Fig. 6. Exhaust gas boiler calculation project Aplikacja zostaa stworzona w polskiej i angielskiej wersji jzykowej. Uytkownik programu wypenia danymi pola jasne. Wpisuje w nich wartoci z przewodników projektowych wybranego silnika i dane wynikajce z indywidualnych uzgodnie z armatorem kontenerowca. Pola szare s wynikiem oblicze. Istnieje moliwo wywietlenia dodatkowych oblicze w zakadce Calculations. Istotnym elementem aplikacji jest dobrana moc silnika statku kontenerowego SMCR. Dla tej mocy na wykresie parametrów kontraktowych, silnik posiada inn ni w punkcie L1 prdko obrotow. Inna jest te temperatura spalin. 4. Wnioski Z przeprowadzonej analizy kotów na statkach kontenerowych wynika, e w zdecydowanej wikszoci koty te wytwarzaj par o cinieniu roboczym 0,7 MPa. Dla tego cinienia 35

8 A. Charchalis, J. Krefft wyznaczono maksymalne wartoci wydajnoci i mocy kota utylizacyjnego korzystajc z zalenoci i funkcji aproksymacyjnych dla wolnoobrotowych silników dwusuwowych. Wanie te silniki, stanowi najczciej napd gówny kontenerowców i wskazane jest, by stworzona aplikacja oparta bya na zalenociach dotyczcych tych silników. Dla rosncych moliwoci transportowych kontenerowców istnieje realna szansa uzyskania wyszych sprawnoci siowni tych statków posiadajc wiedz o maksymalnej iloci pary moliwej do wyprodukowania ze spalin odlotowych wolnoobrotowych silników napdu gównego statków kontenerowych dla wybranego obcienia eksploatacyjnego uzgodnionego z armatorem. Jak wynika z danych technicznych kontenerowców [3-5, 8-10] instalacje parowe s najczciej wykonywane dla 90% obcienia silnika napdu gównego statku. Przy wykorzystaniu stworzonej aplikacji dokonano serii oblicze moliwej do wyprodukowania w kotle utylizacyjnym pary. W dalszym etapie prac naley okreli wydajno kotów utylizacyjnych rozpatrujc realizacj potrzeb grzewczych kontenerowców w caym zakresie pojemnoci kontenerowej TEU. Rónica maksymalnej iloci pary moliwej do wyprodukowania z ciepa odpadowego spalin silników napdu gównego kontenerowców, a zapotrzebowaniem na cele grzewcze moe zosta wykorzystana do napdu turboprdnicy. Z wstpnych oblicze wynika, e dla mocy silnika napdu gównego kontenerowców powyej N e = kw istnieje nadwyka pary produkowanej w kotle utylizacyjnym wzgldem potrzeb grzewczych. Waciwa konfiguracja energetyki siowni statku we wstpnym etapie projektowania doprowadzi do obnienia kosztów i wzrostu opacalnoci transportu kontenerowcami. Literatura [1] Krzyanowski, J., Analiza przydatnoci rur ebrowanych jako powierzchni ogrzewalnych okrtowych kotów utylizacyjnych, Budownictwo Okrtowe, Nr 5, s , Gdynia [2] Wojnowski, W., Okrtowe siownie spalinowe cz II, Gdask [3] Baza danych Polship, Centrum Techniki Okrtowej w Gdasku, oraz Intership [4] 8125-PK/ , PT8138/12, 8184-PK/ , PT8184/6, PK/ , PK/ , 8234-PK / X1, 8276-PK/ , Dokumentacja techniczna statków Grupy Stocznia Gdynia S.A. [5] Hansa, International Maritime Journal-142, No. 11, Jahrgang 2005, No. 9, Jahrgang [6] Marine propulsion and auxiliary machinery, The Jurnal of ship s engineering systems, Man Diesel SE, Vol. 31, Is. 1, [7] Revised MARPOL Annex VI, Marine Environment Protection Committee (MEPC) - 58 th session, [8] Safety at Sea International, Vol. 40, No. 453, [9] Schiff und Haffen, Journal, No , 05, , , [10] Significant Ships 2000, 2001, [11] Soot deposits and fires in exhaust gas boiler, Man B&W Diesel A/S, Denmark, [12] Electronically controlled two stroke engines, S90ME-C Project Guide, 2 nd edition, Man B&W Diesel A/S, Denmark